郭德群 楊 琴

（1.茂名市交通設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 茂名 525000；2.遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)系，貴州 遵義 563000）

0 引言

橋梁在服役期內(nèi)除了承擔(dān)自身重量外，還要承擔(dān)車(chē)輛荷載。橋梁構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞的外部重要因素是車(chē)輛荷載，對(duì)此制定橋梁疲勞荷載譜對(duì)研究橋梁疲勞破壞來(lái)說(shuō)尤為重要[1]。20世紀(jì)70年代前的設(shè)計(jì)規(guī)范中通常將設(shè)計(jì)荷載作為疲勞荷載進(jìn)行驗(yàn)算，顯然這種驗(yàn)算方式是不合理的，對(duì)橋梁進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的載荷應(yīng)該為經(jīng)常駛過(guò)該橋的車(chē)輛動(dòng)載荷，以此計(jì)算分析這些車(chē)輛荷載導(dǎo)致的損傷累積[2]。

對(duì)于如何建立疲勞荷載譜，現(xiàn)在最普遍的方法是以實(shí)測(cè)交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)；已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的公路橋梁，其疲勞荷載譜的制定可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)交通車(chē)流量計(jì)算分析得到[3]。而對(duì)設(shè)計(jì)階段的橋梁結(jié)構(gòu)的荷載譜的建立，通常先對(duì)擬建橋梁進(jìn)行理論分析，從而確保預(yù)估的疲勞荷載譜與該橋建成后的交通流量數(shù)據(jù)吻合。本文分析公路疲勞荷載譜的建立方法，可為同類(lèi)橋梁未來(lái)車(chē)輛荷載譜的建立提供有益借鑒。

1 橋梁疲勞荷載譜的制定重點(diǎn)和步驟

制定疲勞荷載譜應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

（1）體現(xiàn)橋梁未來(lái)交通流量的發(fā)展趨勢(shì)，包括車(chē)流量增加、車(chē)輛載重量的增加及橋梁使用性質(zhì)的改變等；

（2）考慮橋梁在動(dòng)力荷載（比如車(chē)輛荷載等）作用下發(fā)生的動(dòng)力效應(yīng)；

（3）考慮橋梁在外荷載作用下產(chǎn)生的變形、振動(dòng)等引發(fā)的次效應(yīng)[4]。

通過(guò)對(duì)代表性橋梁的交通量調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而建立適用于同類(lèi)橋型的疲勞荷載譜。在橋梁疲勞荷載譜的建立過(guò)程中，除了要記錄特定時(shí)間段內(nèi)的交通量，還需記錄車(chē)流的各種參數(shù)（比如車(chē)型、車(chē)輛軸重、車(chē)速、車(chē)輛總重、軸距及車(chē)輛間距等），這就需要現(xiàn)場(chǎng)記錄前后參考車(chē)輛技術(shù)手冊(cè)，整個(gè)過(guò)程包括以下主要步驟：

（1）開(kāi)始調(diào)查之前通過(guò)仔細(xì)觀察，熟悉駛過(guò)該橋梁的車(chē)型，以便準(zhǔn)確地對(duì)通過(guò)車(chē)輛進(jìn)行歸類(lèi)處理；

（2）取某特定時(shí)間段（12h、24h等）進(jìn)行連續(xù)正式調(diào)查記錄，利用各種人員、儀器手段等記錄各種歸類(lèi)車(chē)型的數(shù)量，并統(tǒng)計(jì)歸類(lèi)車(chē)型中每類(lèi)出現(xiàn)次數(shù)最多的生產(chǎn)廠(chǎng)家；

（3）調(diào)查統(tǒng)計(jì)完成后，歸類(lèi)車(chē)型中每類(lèi)出現(xiàn)次數(shù)最多的車(chē)作為此類(lèi)車(chē)型的代表，通過(guò)查閱相關(guān)車(chē)輛技術(shù)手冊(cè)等方式，最終確定車(chē)輛的各種參數(shù)（比如車(chē)輛軸重、車(chē)速、車(chē)輛總重、軸距及輪間距等）。

2 疲勞車(chē)輛荷載譜的建立

如今公路橋梁疲勞驗(yàn)算包括三種形式：利用標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)、借助實(shí)測(cè)交通車(chē)輛荷載頻值譜和直接采用靜力強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載中的單個(gè)重車(chē)，其中第二種方式最符合實(shí)際，應(yīng)用也最為廣泛。但以往調(diào)查分析得到的車(chē)輛疲勞荷載譜與現(xiàn)在的車(chē)輛荷載分布形式不符，很難準(zhǔn)確評(píng)估現(xiàn)有橋梁的疲勞損傷。本文以某長(zhǎng)江公路大橋某一天24h（0∶00～24∶00）交通流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)制定車(chē)輛疲勞荷載譜。以文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，該數(shù)據(jù)對(duì)每天駛過(guò)該橋的車(chē)輛的車(chē)流量大小、總重和軸重等進(jìn)行分類(lèi)處理記錄。

2.1 公路車(chē)流統(tǒng)計(jì)方法及車(chē)型分類(lèi)

2.1.1 公路車(chē)流統(tǒng)計(jì)方法

要想得到公路車(chē)流的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)很難，車(chē)流具有地域差異與季節(jié)差異，其幾個(gè)代表特征量（比如車(chē)型、車(chē)重、軸重、數(shù)量、間距和車(chē)速等）也有很強(qiáng)的隨機(jī)性。需要對(duì)車(chē)流進(jìn)行調(diào)查、記錄、統(tǒng)計(jì)和分析。車(chē)流調(diào)查的主要方法有：人工調(diào)查法及儀器觀察法[5]。

（1）人工調(diào)查法主要依靠人力現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、記錄、統(tǒng)計(jì)和分析得到。首先，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察選擇合適的位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，通?？梢赃x擇公路出入口或者車(chē)速相對(duì)緩慢的位置；然后，由專(zhuān)業(yè)人士對(duì)通過(guò)該位置的車(chē)流量進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)。最后對(duì)調(diào)查得到的車(chē)流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而得到該公路的車(chē)流量、車(chē)重和車(chē)輛類(lèi)型等[6]。該方法得到的車(chē)流數(shù)據(jù)相對(duì)比較準(zhǔn)確。但是，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，時(shí)間投入也比較多，更有甚者，得到的車(chē)流數(shù)據(jù)中沒(méi)有包含車(chē)輛間距及車(chē)輛行駛速度，因此人工調(diào)查法得到的車(chē)流數(shù)據(jù)不能直接模擬精確的橋梁車(chē)流荷載。

（2）儀器觀測(cè)法主要依靠專(zhuān)業(yè)的測(cè)量?jī)x器采集車(chē)流相關(guān)數(shù)據(jù)，如今使用比較廣的是WIM，即動(dòng)態(tài)車(chē)重系統(tǒng)[7]。WIM系統(tǒng)包括傳感器與支持儀器兩部分。當(dāng)車(chē)輛以一定的速度駛過(guò)時(shí)，電阻應(yīng)變傳感器因?yàn)槭艿捷S載作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，轉(zhuǎn)換得到車(chē)流量數(shù)據(jù)并傳送到計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理儲(chǔ)存?？傊?，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地得到公路橋梁中車(chē)流的某些代表性參數(shù)（比如車(chē)輛總重、軸重、車(chē)速以及軸距等）[8]。WIM系統(tǒng)的基本構(gòu)成和結(jié)構(gòu)流程分別如圖1和圖2所示。WIM系統(tǒng)能夠在不影響交通的情況下，測(cè)得正常行駛時(shí)車(chē)輛的代表特征量，也不需要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力及時(shí)間。但該系統(tǒng)在整體移動(dòng)性方面不是很好，精準(zhǔn)度方面還不夠[9]。

圖1 WIM系統(tǒng)的基本構(gòu)成

圖2 WIM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.2 車(chē)型分類(lèi)

進(jìn)行橋梁疲勞荷載研究時(shí)，考慮所有駛過(guò)車(chē)輛的全部參數(shù)終究不大現(xiàn)實(shí)。一般對(duì)市面上所有的車(chē)進(jìn)行分類(lèi)，再根據(jù)每類(lèi)車(chē)中包含的車(chē)型確定其代表車(chē)型，進(jìn)而獲得其主要參數(shù)（比如車(chē)重、軸重、軸距、車(chē)速等）。本文在進(jìn)行車(chē)流量調(diào)查統(tǒng)計(jì)分類(lèi)過(guò)程中根據(jù)各生產(chǎn)廠(chǎng)家和車(chē)軸類(lèi)型的不同，參考江蘇省常見(jiàn)貨車(chē)分類(lèi)方法，將車(chē)輛分為16類(lèi)典型車(chē)型，如表1所示。

表1 16類(lèi)典型車(chē)型

2.2 車(chē)型比例及車(chē)重統(tǒng)計(jì)

按照表1，將這一天調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到的交通車(chē)流量按照每類(lèi)車(chē)出現(xiàn)的頻數(shù)來(lái)開(kāi)展統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析，見(jiàn)表2，各類(lèi)車(chē)的占有率如圖3所示。

表2 車(chē)流車(chē)型頻數(shù)

圖3 車(chē)流車(chē)型占有率（%）

由交通車(chē)流調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到：該橋當(dāng)年日均車(chē)輛通行量約41000輛，我們所選的樣本為40218，相對(duì)差值僅為1.9%。表明該抽樣日交通車(chē)流統(tǒng)計(jì)量滿(mǎn)足抽樣要求。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)整理分析，得到抽樣日16類(lèi)典型車(chē)型中各類(lèi)的通行量、軸重及軸距等，見(jiàn)表3。

表3 16類(lèi)典型車(chē)型通行量、車(chē)重及軸距統(tǒng)計(jì)

2.3 疲勞車(chē)輛荷載譜的計(jì)算

橋面發(fā)生疲勞破壞的主要原因是車(chē)輛荷載的反復(fù)作用。由實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到的交通流量數(shù)據(jù)，把得到的典型車(chē)輛劃分為常見(jiàn)的16類(lèi)。但是直接用這16類(lèi)典型車(chē)來(lái)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算還是比較麻煩，參照國(guó)內(nèi)外橋梁中有關(guān)疲勞壽命評(píng)估方面經(jīng)常用的做法，簡(jiǎn)化后得到7類(lèi)模型車(chē)輛荷載譜。

英國(guó)橋梁規(guī)范BS5400中明確指出總重30kN以下的車(chē)輛造成的疲勞損傷可以忽略不計(jì)，進(jìn)一步把16類(lèi)典型車(chē)中軸數(shù)相同、軸距相差不大的組合成一類(lèi)。然后選擇每類(lèi)型車(chē)輛中通過(guò)次數(shù)最高的車(chē)作為典型車(chē)輛，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的車(chē)重樣本數(shù)據(jù)，基于等效疲勞損傷理論，解得各類(lèi)模型車(chē)輛的等效軸重。其等效軸重公式如下：

式中：

f i——被劃分成同類(lèi)型車(chē)輛中的第i種車(chē)在該類(lèi)車(chē)中出現(xiàn)的頻率；

W ij——第i種車(chē)的第j個(gè)軸重；

W ej——該類(lèi)模型車(chē)中第j個(gè)車(chē)軸的等效軸重。每類(lèi)等效車(chē)的總重等于每個(gè)等效軸重之和。

同樣的，等效軸距通過(guò)以相同類(lèi)型中各種貨車(chē)駛過(guò)該橋次數(shù)的頻率作為權(quán)數(shù)，計(jì)算軸間距的加權(quán)平均值，從而計(jì)算出其等效軸距，計(jì)算公式如下：

式中：

f i——同類(lèi)型車(chē)中的第i種車(chē)在該類(lèi)車(chē)中出現(xiàn)的頻率；

A ij——第i種車(chē)的第j個(gè)軸距；

A ej——該類(lèi)模型車(chē)輛中的第j個(gè)車(chē)軸的等效軸距。

根據(jù)上面兩個(gè)公式，對(duì)某長(zhǎng)江公路大橋某24h內(nèi)實(shí)際交通流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析與計(jì)算，最終獲得7類(lèi)車(chē)輛荷載模型以及其相對(duì)應(yīng)的頻值譜，見(jiàn)表4。

表4 7類(lèi)模型車(chē)輛荷載頻值譜

從表4看出V2、V3均為三軸車(chē)；而V5、V6為六軸車(chē)，但不屬于同一類(lèi)典型車(chē)。這樣分類(lèi)主要是基于兩類(lèi)車(chē)車(chē)軸的布置方式不一樣、軸間距差異也很大，車(chē)輛荷載引起的應(yīng)力幅值大小和循環(huán)次數(shù)就有可能會(huì)出現(xiàn)比較大的差距，有必要將其區(qū)分開(kāi)來(lái)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹橋梁疲勞荷載譜的基本制定流程，并以某長(zhǎng)江公路大橋某一天24h（0∶00～24∶00）交通流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，將得到的典型車(chē)輛劃分為常見(jiàn)的16類(lèi)；利用等效軸重、等效軸距相關(guān)計(jì)算理論和公式，對(duì)實(shí)際交通流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析與計(jì)算，依據(jù)英國(guó)BS5400規(guī)范和疲勞等效損傷理論，最終獲得了7類(lèi)車(chē)輛荷載模型以及其相對(duì)應(yīng)的頻值譜。本文建立橋梁疲勞荷載譜的方法可為未來(lái)同類(lèi)橋型荷載譜的建立提供有益借鑒。